目前国内激光加工技术的发展及应用

1、目前国内激光加工技术进展及应用实例韩毅摘要：概括地介绍了激光加工技术的应用领域，简单介绍了激光打孔和切割、激光焊接、激光表面改性技术、激光划蚀、铣削与毛化、激光沉积、激光快速成型技术、激光标记与标刻、激光加工技术在纺织，服装行业的应用等激光加工技术等若干典型应用，并介绍了国内的激光加工行业的发展现状。关键词：激光技术；激光加工；发展现状前言激光是20世纪人类的四大发明之一，现在已经广泛应用于工业、军事、科学研究和日常生活中。2l 世纪号称人类已经进入光电子时代，作为能量光电子的激光技术的进一步广泛应用将极大地改变人类的生产和生活。激光加工技术实现了光、机、电技术相结合，是一种先进制造技术目前正

2、处于向传统制造技术中许多工艺过程积极渗透的阶段。由于它具有无接触、不需要工模具、清洁、效率较高、方便实行数控和可以用来进行特殊加工，目前已经广泛应用于汽车、冶金、航空航天、机械、纺织、化工、建筑、造船、仪器仪表、微电子工业、艺术品制作、日常生活用品和工业用品制造等众多领域。用来进行打孔、切割、铣削、焊接、刻蚀、大型零件的强化和修复、材料表面改性和材料合成、模具、模型和零件的快速制造。工艺美术品制作和清洗、产品标刻和防伪等。1 激光加工技术的主要应用11 激光打孔和切割由于激光可以通过聚焦而获得高密度能量，瞬间可使任何固体材料熔化，甚至蒸发，因此，从理论上说可以用激光来加工任何种类的固体材料。事

3、实上，激光一发明，人们首先想到利用它来对宝石这类利用常规加工方法难以加工的材料进行孔加工。目前已经广泛用于各类材料进行孔加工和切割，如利用激光进行木模板的切割和石油管道的激光切缝等。图1为激光在钢板上加工的密排孔，图2 为利用激光在金属上切割的渐开线(光滑无毛刺 。12 激光焊接与其它焊接技术比较，激光焊接的主要优点是：激光焊接速度快、深度大、变形小。能在室温或特殊的条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在空气及某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达5：1，最高可达10：1。可焊

4、接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。便如，将铜和钽两种性质截然不同的材料焊接在一起，合格率几乎达百分之百。也可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑，且能精密定位，可应用于大批量自动化生产的微、小型元件的组焊中，例如，集成电路引线、钟表游丝、显像管电子枪组装等由于采用了激光焊，不仅生产效率大、高，且热影响区小，焊点无污染，大大提高了焊接的质量。利用激光的高密度能量，可以对高熔点、难熔金属或两种不同金属材料进行焊接，也可以对非金属材料进行焊接(如玻璃的焊接 ；加热速度快，作用时间短，热影响区小，热变形可以忽略；属于非接触焊接，无机械应力和机械变形；激光焊接装置容易与计算机

5、联机；可以在大气中焊接和无悸染等一系列优点，因此，在工业上获得广泛应用。图3和图4分别为激光焊接的锯片和钻头，图5激光焊接的不等厚钢板冲压成的汽车部件。13 激光表面改性技术激光表面改性技术包括：激光表面相变硬化、激光表面合金化与熔覆、激光表面非晶化与微晶和激光冲击强化等。利用激光表面改性技术可以极大地提高零件表面的机械、物理和化学性质，现在已经广泛应用于工业生产。图6是应用于冶金行业的轧辊激光相变淬火。图1 激光加工的密排列 图2 激光加工的渐开线 图3 激光焊接的金刚石锯片 图4 激光焊接的钻头 图5 光焊接的不等厚钢板冲压的汽车部件 图6 轧滚的激光相变淬火14 激光刻蚀、铣削与毛化激光

6、刻蚀在微电子行业可以用于半导体器件和芯片的加工，也可以用于精密光学器件的加工。如用激光刻蚀加工半导体芯片和二维光栅。利用激光的高密度能量，可以对硬脆性难加工材料进行激光铣削加工为利用脉冲激光分别铣削加工的硬质合金和氧化铝陶瓷。利用二氧化碳激光器在钢材上铣削加工的三维模具。利用脉冲激光还可以对轧辊进行毛化，经过毛化的轧辊轧制的汽车簿板具有着油漆牢固的特点。另外，还可以利用激光对钢套等零件进行毛化，可以大大地提高其耐磨密寿命。15 激光物理气相沉积、激光化学气相沉积、激光诱导液相化学镀和激光诱导固相反应沉积激光物理沉积主要是利用蒸发机制制膜利用此种方法可以制非金属膜，也可以制金属膜(包括难熔金属膜

7、 。激光化学气相沉积是利用激光束的局部高温、高能诱导反应气体发生化学反应沉积成膜的方法。激光诱导液相化学镀可将基板样品直接放入镀液中，用激光辐照诱导反应沉积。与普通化学镀相比，激光诱导化学镀沉积速度要快得多，镀层更加平整致密。一般认为激光诱导化学镀的机理是由于激光可在局部产生高温，使照射区溶液迅速升温活化。分离出金属粒子。而基板表面同时被高温活化，吸附能力大为增强所以沉积易于进行。激光诱导 固相沉积法直接采用激光诱导固体膜发生作用，反应生成金属或合金沉积在基板上。利用此种方法可以用来进行电路板布线。16 激光快速成型技术自20世纪90年代初美国3D Systems公司开发出世界首台商品化的快速

8、成型系统以来，快速成型技术得到蓬勃发展。快速成型(Rapid Prototyoing ，简称RP 是通过把材料堆积，快速、精密地制造出实际零件，它体现了计算机辅助设计、数控、激光加工、新材料等学科和技术的综合利用。它不需要借助其它设备和工具迅速和精确地制造出复杂的工模具、模型和工艺品。激光快速成型技术粉末烧结法快速制造出的零件主要有激光层叠法、粉末烧结法、光固化法等。17 光标记和艺术品制作生活用品和生产用品的标记和防伪是不可缺少的，而同时人们对产品的美化和艺术品的要求也越来越高。激光标记和艺术品制作就是利用高密度能量的激光束，会聚在工件表面的对目标进行表面扫描，使材料表面发生物理或化学的变化

9、，导致目标表面的光反射特性的变化，从而获得可见图案。它属于一种非接触的标刻方式。与传统的加工方式(如喷墨打印，电火花加工机械刀刻等 相比，它具有许多难以比拟的优点。如它采用计算机控制技术，效率高、节奏快；激光刻划精细，可以对各种材料的表面进行标记，并且耐久性非常好；采用激光标刻的防伪效果好等。现在已经广泛用激光来标刻的五金件和键盘，并且利用激光在竹和木头等材料上雕刻制作艺术品。18 激光材料合成、激光清洗和激光加工在建筑上的应用早在1977年美国麻省理工学院材料科学与工程系科学Haggerty 博士发明了陶瓷粉末的激光合成法，现在已经发展到广泛利用激光来制造金属和非金属材料纳米粉。激光清洗可以

10、使物体表面的污垢吸收光能而蒸发去除，或者在表面产生力学共振而使污垢凝结脱落。激光清洗可以用来清洗微电子芯片、设备的剥漆和古董及字画的除垢等。目前，激光加工在建筑上的应用主要是高档建筑五金的焊接，以及建筑装饰品的制造，而国外已经有利用激光进行建筑陶瓷和大理石的切割应用报道。随着激光器和激光加工技术的发展，有望可以利用激光进行混凝土件表面玻璃化处理、岩石打洞、大块混凝土件的切割和放射性物质的处理等。19 激光加工技术在纺织，服装行业的应用实例超过三分之二的纺织服装面料可利用激光来制作各种数码图案。传统的纺织面料制作工艺需要后期的磨花、烫花、压花等加工处理，而二氧化碳激光打标机在此方面具有制作方便、

11、快捷、图案变换灵活、图像清楚、立体感强、能够充分表现各种面料的本色质感，以及历久常新等上风。假如结合镂空工艺更是一语道破，相得益彰。服装面料及成衣激光绣花适合：纺织面料后整理加工厂、面料深加工厂、成衣服装厂、面辅料及来料加工企业。激光打标具有打标精度高，速度快，打标清楚，可在硬、软、脆产品的平面、弧面和飞行物上打印各种文字、符号、图案的特点。激光打标兼容了激光切割、雕刻的各种优点，可在金属及有机聚合物薄片上精密加工，加工尺寸小的复杂图案。打印标记具有永不磨损的防伪性能，可专门制作布标、皮标、金属标、打印图案复杂精细的各种司徽和LOGO ，是品牌服装衣饰物加工的最佳选择。长期以来，商标的切边、刺

12、绣图案的切边以及刺绣图案中的打孔拼花都存在一个对位题目。精确而高效的切割，是业界共同的期待。现有的自动视觉追踪切割系统在传统的人工对位切割的基础上前进了一大步，能够分局对位点来自动定位切割。但对于纺织产品的随机变形不能自动纠正，因此会产生大量的废品。现在行业内已有企业成功开发出自动识别寻边切割系统，能够依据所织商标图形的边沿，自动天生切割路径，并正确地利用激光沿边切割。还能够自动定位，对刺绣图形中的图案进行切割打孔。激光技术目前在制鞋及皮革行业中的应用也非常广泛。激光的上风在于可以在各种皮革面料上快速雕刻和镂空出各式图案，而且操纵方面灵活，同时不会使皮革表面产生任何形变，以体现出皮革本身的颜色

13、与质感。它更具有雕刻精度高、镂空无毛边、任意选形等多种上风，适合鞋面、鞋材、皮具、手袋、箱包、皮服等加工生产厂家的需要。激光雕刻是指将激光设备连接激光雕刻软件，图稿输进自动雕刻的作业方式。目前，半导体激光打标机是激光加工领域技术最成熟，应用最广泛的技术。利用这种技术，任何复杂图形都能雕刻。可以进行镂空雕刻和不穿透的盲槽雕刻，从而雕刻出深浅不一、质感不同、具有层次感和过渡颜色效果的各种神奇图案。凭借这些上风，激光雕刻迎合了国际服装加工的新潮流。通过数控的激光照射，汽化牛仔布料表面的染料，从而在各种牛仔面料上制作出不会退色的影像图案、渐变花形、猫须磨砂等效果，为牛仔时尚又增添了新的靓点。牛仔喷花激

14、光加工是一项新兴的、有丰厚加工利润和市场空间的加工项目，极适合牛仔服装厂、水洗厂、加工型等企业和个人进行牛仔系列产品的增值深加工。电脑绣花工艺中，有两个步骤很重要，即贴布绣前的切割和绣花后下料的切割。在传统的加工工艺中，绣前切割采用的刀模加工方式的缺陷在于，轻易产生织物须边，且加工精度受刀模限制，异性图形难以加工，刀模的制作周期常，本钱高，因此制约了贴布绣花的发展。而绣后下料切割，大多采用的是热切加工方式，该方式又有切边缝隙大、边沿发黄发硬、难以对位等缺点。异性图形依靠人工手剪，更是轻易散边，产生废品，所以急需有一种先进的加工方式来取代这两种旧的加工方式。激光加工固然也属于热加工方式，但由于激

15、光高度的聚焦性，照射光斑纤细，热扩散区小，因此极适合对纺织纤维面料的切割。具体表现在加工面料范围广泛、切口平滑无飞边、自动收口、无变形、图形可通过计算机随意设计和输出、无需刀模等等。这使得激光加工成为业内公认的替换方式。 2 国内内激光加工的发展现状由上可见，激光加工作为先进制造技术已广泛应用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造、纺织等国民经济重要部门，对提高产品质量、劳动生产率、自动化、无污染、减少材料消耗等起到愈来愈重要的作用。德国为了推广激光加工技术，除了建立9个国家级激光中心外，还大量建立激光加工站；同时在大、 中、小型企业积极建立激光加工生产线，例如：大众汽车厂的齿轮激光加工生产

16、 线；奔驰汽车厂共有18个厂房，其中有8个厂房安装了激光加工生产线。美国是 世界上最早建立激光加工站的国家，1996年的统计结果表明，美国激光加工站的 年收入已逾6080亿美元， 在美国激光加工站已超过1765家，这对于在美国推广 激光加工技术起着重要的作用。激光切割和焊接等在日本电子、电机、汽车、车 辆零部件，等小件、大批量生产中得到迅速发展。总之，日本产业界应用激光加 工技术是最为普及的。 我国在20世纪90年代初，在武汉建立了国家级的激光加工 工程研究中心，以期达到在全国起到示和推广的目的。北京、上海等地方和部委 联合建立激光加工工程研究中心，另外，很多地方政府以及众多科研机构和高校 也

17、建立了激光加工研究中心来进行激光加工技术研究和推广， 已经取得了比较满 意的效果。例如。天津冷轧薄板厂由于采用了激光毛化技术，将面临倒闭的企业 起死回生仅1995年生产了6亿元的激光毛化钢板，出口创汇数千万美元；又如 西安内燃机配件厂建立了12条缸套激光热处理生产线将缸套寿命提高了13 倍现已在全国范围推广。因此，发展激光产业将带动传统工业的改造和发展。 然而作为未来世界加工工厂的中国，目前只有一百三、四十家类似国外的激光加 工站，因此，很必要加大力度进行推广。 从中国光学光电子行业协会激光分会的逐年统计看， 激光加工装备的年销售 额一直在高速增长。 说明激光加工技术在我国已经从研究，实验探索中走出了象 牙之塔，走上实用化的道路。保持销售额年增长在 20%左右。目前已经形成激光 加工机生产企业达 200 余家，从业人员近 2